基于“北斗+蓝牙”的核电厂基建人员定位安全监管系统应用研究

武程浩，王 亮，沈立华，宋伶才

（1.中核核信信息技术（北京）有限公司，北京 100091；2.中核霞浦核电有限公司，福建 宁德 355100）

0 引 言

当前我国经济快速发展，然而环境污染、能源短缺等问题不断加剧，努力构建以清洁能源为主的能源结构是缓解人与自然之间矛盾的关键举措。2020年9月，习近平总书记宣告了我国“2030年碳达峰，2060年碳中和”的宏伟愿景。为实现这一目标，中核集团积极发挥自身完整产业链优势，大力推动国家核能发展和核电建设，助力我国完成“十四五”期间每年新建8 台核电机组的目标任务。

安全是核工业发展的生命线，如何在核电站较长的建设周期中保障施工人员安全，提高安全管理水平，成为了众多信息化工作者积极探索的方向。付志博等人[1]认为准确获取人员位置信息是实现核电现场施工人员的高效管理、降低事故发生率的重要依据。葛敏婕等人[2]提出了一种基于LoRa和蓝牙技术的室内低功耗定位系统，该系统通过在定位环境内部部署蓝牙网关设备，进而被动抓取人员持有的蓝牙终端所发射的Beacon 信息，再经服务器定位结算得到被定位人员的位置信息。张张[3]充分发挥北斗卫星导航系统的双向通信功能，设计了一套包含移动定位终端、安卓智能终端和系统服务器的人员定位追踪系统，该系统可广泛应用于室外人员定位及其他相关位置服务行业。

理想的人员定位系统应该具备在任何地点都能实现人员精准追踪定位的能力，无论是在室外环境还是室内环境[4,5]。核电施工现场环境复杂，核岛内北斗信号屏蔽严重，核岛外不具备大规模部署蓝牙信标的条件，如何实现室内外融合定位技术是解决核电站人员定位问题的关键。

1 “北斗+蓝牙”定位系统

1.1 系统概述

通过在核电现场建立室外北斗定位系统和室内蓝牙定位系统，实现室内室外无缝定位。室外需要根据人员分布敷设线缆，安装通信基站，以满足定位终端北斗通信需要；室内核岛及常规岛除安装通信基站外，还需要合理布设蓝牙信标，以满足定位终端室内蓝牙通信需要。人员则通过佩戴定位终端实现室内室外一张图精准定位管理，并能与视频监控系统进行联动，对人员行为进行识别，从而达到落实生产责任、提高安全管理水平的目的。

1.1.1 系统原理与架构

室外区域采用北斗定位技术，定位终端接收天上多颗卫星的位置信息及发送时间，用当前时间减去发送时间，得到信息传播的时间，再用信息传播时间乘信息传播的速度（光速），得出设备与卫星的距离，最后根据设备与卫星之间的几何关系确定设备的位置，如图1所示。

图1 室外定位系统工作原理

室内区域采用蓝牙定位技术，在该系统中每个蓝牙信标都包含唯一的介质访问控制（Medium Access Control,MAC）地址和相对坐标信息，人员携带的定位终端都含有唯一的身份标识号码（Identity Document,ID）。服务器采用接收信号强度指示值（Receive Signal Strength Indicator,RSSI）测距算法，利用RSSI 值与距离的关系，得到定位终端与网关的距离，接着应用多点定位算法[6-8]或三角定位算法[9-10]测算出定位终端的位置，如图2所示。

图2 室内定位系统工作原理

人员携带的定位终端在定位信标部署区域或者北斗信号覆盖到的区域，会将信息无线传输给钛准基站（钛准基站覆盖范围内），基站将唯一ID 编号及坐标数据发送到后台服务器，后台定位引擎通过定位算法展开解析，从而在定位监控管理系统软件端以可视化地图的方式呈现出每个ID 的实时位置情况，又因为人员和定位标签ID 是一一对应的，所以确定了定位标签ID 的位置，也就实现了人员的实时定位，如图3所示。

图3 定位系统整体实物架构

定位信标：铺设在室内区域、装置区域、密闭空间，作为室内定位基础网络设施。北斗：作为室外定位网络。定位终端：接收室外北斗或室内蓝牙信号，将信息通过通信基站进行回传。定位与地图服务器：提供地图引擎和定位引擎，实现位置解算与地图展示。PC 后台：B/S 模式，通过浏览器进行人员信息查询统计、网格化管理、预警管理等安全管理应用。

1.1.2 系统功能与特点

室外北斗定位技术，可全方位覆盖核岛、常规岛以外的广阔施工区和办公区。定位终端、通信基站等通信设备采用高强度材料，可适应海岛恶劣的室外环境。室外定位系统不受空间限制，通过与北斗卫星的信息传递实现定位终端的位置测算，可贯穿核电站的整个建设周期。

室内方面，针对核岛无信号而无法精确测算难题，开发出基于低功耗蓝牙室内外无缝定位技术；基于蓝牙RSSI 信号值的三角算法，提出了基于多元假设检验的自适应抗摄动去噪方法，构建了基于特征点二阶分布函数的多径与非视距误差消除模型，攻克核电厂生产复杂室内环境下的位置感知重大瓶颈。

1.2 系统硬件组成

1.2.1 蓝牙信标

如图4和表1所示，分别为蓝牙信标的外观展示和详细技术参数。

表1 S3U 系列蓝牙信标技术参数

图4 蓝牙信标

1.2.2 定位终端

如图5和表2所示，分别为定位终端的外观展示和详细技术参数。

表2 BLT6 系列定位终端基本参数

图5 定位终端

1.2.3 通信基站

如图6和表3所示，分别为通信基站的外观展示和详细技术参数。

表3 BLG2P 系列基站技术参数（非防爆型号）

1.2.4 后台

定位引擎采用多信号最大似然估计、粒子滤波、差分去噪等算法，有效抑制了无线定位受环境干扰引起的较大定位波动，提升了定位精度。

地图引擎结合AStar 等算法，采用3DMAX 数据建模，使得地图数据轻量化，支持海量数据加载。强大的地图引擎使得定位数据在2.5D 地图、三维建模地图、倾斜摄影地图中都展现了良好效果。

2 定位系统在核电厂的实施与部署

2.1 系统设计与实施

本系统服务于核电站核岛/常规岛房间、BOP 子项厂房和厂区及周边海域等区域，通过融合使用物联网、北斗、蓝牙、高清视频、GIS 等先进技术，全面感知施工过程中的人员、车辆、安全等要素信息，搭建前后方网络互联、数据互通的移动网和地面固定网络，如图7所示。打造基于容器、微服务的物联感知基础支撑平台，构建室内外一体的人员定位安全监管系统，对违规作业、非法越界等具有安全隐患的行为进行智能识别和自动告警报警，满足核电站“信息共享、安全监控、协同作业、智能决策”的需要，确保整个施工全维监控、管理规范、进度可控、质量保证、安全有序。

图7 人员定位安全监管系统网络架构

2.2 定位终端管理方案

为确保终端发放高效、准确，各家施工单位上报的员工信息应该包含详细的四级组织。同时，每个定位终端都有唯一的编号，将终端编号扫码录入员工信息表格从而实现人员与终端的绑定。最后，将表格上传至智慧工地平台完成信息录入，将终端粘贴姓名标签完成终端逐级有序发放。

在终端的日常维护管理中，由施工单位指派专人负责，在现有的人员离职和入职工作流程中，加入人员离场（收终端）和人员进场（发终端）操作，确保终端领用率和在线率。同时，发布每日低电量清单，提醒员工及时充电。

3 定位系统在核电厂的应用效果分析

3.1 人员轨迹查询与实时跟踪

定位系统可用于追踪人员历史位置和某个时间段内的行动轨迹，轨迹室内外连续，支持倍速播放，播放时室内外自动切换，如图8所示。该功能有助于管理者对人员活动行为进行分析，一旦有异常情况，可以提供数据支持。

图8 人员定位安全监管系统轨迹查询展示

在搜索框输入人员名称，可以实现对单一人员的位置跟踪，并展示该人员的相关信息。跟踪状态下仅显示被定位跟踪对象，地图自动聚焦，跟随被定位对象。当其进入室内时，地图自动进入室内地图对其持续跟踪。此外，当被跟踪人员进入摄像机的监控画面时，大屏监测中心会自动拉起实时视频流，实现视频联动，有效支持复杂安全事务管理，如图9所示。

图9 人员定位安全监管系统视频联动展示

3.2 网格化管理

人员定位系统实时统计各网格、区域的定位人数，定位数据实时更新，有效掌握各工作面和各时段的人数、工种分布，满足核电厂尤其是核岛内部的网格化管理需要，如图10所示。

图10 人员定位安全监管系统网格化管理展示

3.3 施工人员与施工作业安全管理

核电现场施工环境复杂，核岛内部房间众多，发生突发事件时，施工人员可触发定位终端的一键报警功能，使系统管理员第一时间发现处于报警中的人员和位置，进行快速处置，有效保障现场施工人员的人身安全。

此外，核电人员定位系统还可提供施工作业安全管理功能，预设七大危险作业（动火作业、断路作业、维修作业、高处作业、受限空间作业、吊装作业和盲板抽堵作业），绘制作业区域在地图中显示，针对各危险作业设置作业人员离开报警和非作业人员闯入报警，业务技术深度融合，提升现场安全管控水平，如图11所示。

图11 人员定位安全监管系统施工作业管理展示

4 结 语

本系统针对核电厂全域高精度定位需求，采用“室外北斗+室内蓝牙”融合定位技术，实现室内室外定位无缝衔接。大屏监测画面可提供精准的定位显示和轨迹查询服务，实时跟踪、一键报警、网格化管理、作业安全管理等功能可以较好地满足核电厂高质量、精细化管理需要。与传统的监管方式相比，该系统可有效节约人力资源成本，服务核电现场管理，具有较高实际应用价值。

注：本文通讯作者为武程浩。